KR102523587B1

KR102523587B1 - 고력계 무연 황동 및 이를 이용한 제품

Info

Publication number: KR102523587B1
Application number: KR1020210055793A
Authority: KR
Inventors: 윤의한; 곽범수; 이진수; 한승전; 안지혁
Original assignee: 주식회사 대창
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2023-04-21
Also published as: KR20220148977A

Abstract

본 발명은 고력계 무연 황동 및 이를 이용한 제품에 관한 것이다, 더욱 상세하게는 본 발명은 강도를 포함한 기계적 특성이 향상된 고력계 무연 황동 및 이를 이용한 제품에 관한 것이다.

Description

고력계 무연 황동 및 이를 이용한 제품 {High strength lead-free brass and product using the same}

구리(Cu)는 용도에 따라 다양한 첨가물이 첨가되어, 재료의 특성에 맞게 청동이나 황동 등의 구리합금으로 사용되어 왔다. 구리합금의 용도가 확대됨에 따라 납(Pb)을 함유시킴으로써 구리합금에 향상된 절삭성이 부여되었으나, 납(Pb)이 인체 및 환경에 악영향을 주는 유해성으로 인해 사용의 제한을 받게 되었다. 따라서 절삭성이 우수하면서 납(Pb)을 대체할 수 있는 비스무스(Bi)와 같은 첨가물을 첨가하는 구리합금에 대한 연구가 활발히 진행되었다.

그러나 비스무스는(Bi)는 강도가 확보되지 못하는 문제점으로 인해 고강도가 요구되는 제품에 활용되지 못하여, 납(Pb)을 포함하지 않은 강도가 향상된 무연 고력계 황동의 개발의 필요성이 대두되고 있다.

고력계 황동(High strength brass)은 구리(Cu)-아연(Zn) 합금에 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 실리콘(Si), 주석(Sn), 망간(Mn), 철(Fe) 등의 원소를 첨가하여 제조된 것으로, 강도, 내식성 및 인성 등이 우수하여 기계, 전자, 항공기, 선박, 건축용 부품 및 고급 구조용 재료 등에 사용되고 있다. 상기한 용도에 있어서 고력계 황동은 마찰 및 회전 운동 상에서의 마모, 충격 및 고하중에 대한 내구성 및 더욱 향상된 강도 성능 등이 요구되고 있다.

이러한 배경으로, 납(Pb)을 함유하지 않거나 최소로 함유하면서 강도를 포함한 기계적 특성이 향상된 고력계 무연 황동에 대한 요구가 계속해서 있어 왔다.

본 발명의 배경 기술로 대한민국 등록특허 제10-14520619호(2014.07.11. 등록)에 무연황동 괴 및 그 제조방법에 대해 기재되어 있다.

본 발명의 목적은, 납을 포함하지 않거나 최소량으로 함유하여 유해성이 최소화되면서 강도를 포함한 기계적 특정이 향상된 고력계 무연 황동을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 강도가 향상된 고력계 무연 황동으로 제조된 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.

일 측면에 따르면, 동합금 총 중량에 대해, 0.01 내지 3.0 중량%의 알루미늄(Al); 0.01 내지 3.0 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.9 중량%의 철(Fe); 0.1 내지 2.0 중량%의 망간(Mn); 32 내지 40 중량%의 아연(Zn); 0 내지 1.0 중량%의 실리콘(Si); 0 내지 0.09 중량%의 납(Pb); 및 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 고력계 무연 황동이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 알루미늄(Al)과 철(Fe)의 함량비가 0.5 내지 5.0인 철(Fe)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)과 아연(Zn)의 함량비가 0.015 내지 0.025인 철(Fe)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)과 망간(Mn)의 함량비가 0.3 내지 0.9인 망간(Mn)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 함량비가 0.5 내지 1.8인 망간(Mn)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0 내지 0.15 중량% 미만의 칼슘(Ca)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.01 내지 0.2 중량% 이하의 미쉬메탈(Ms)을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 고력계 무연 황동은 인장강도가 350MPa 이상일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 경도가 130Hv 이상일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 1.45 내지 2.8 중량%의 알루미늄(Al)을 포함하며, 인장강도는 500MPa 이상이고, 경도가 150Hv 이상일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.4 내지 1.0 중량%의 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 고력계 무연 황동은 항복강도가 180MPa 이상일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 고력계 무연 황동은 절삭지수가 C36000 대비 62% 이상일 수 있다.

다른 측면에 따르면, 본원에 기재된 고력계 무연 황동으로 제조된 제품으로, 인장강도가 350MPa 이상이고, 경도가 130Hv 이상인, 고력계 무연 황동 제품이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 납을 포함하지 않거나 최소량으로 함유하면서 강도가 향상된 고력계 무연 황동을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 경도가 향상된 고력계 무연 황동을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 강도 및 경도가 향상된 고력계 무연 황동으로 제조된 제품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 7에 의한 주조 황동합금의 광학현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 황동에서의 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 함량에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca) 함량에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 다양한 원소 함량비에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 철(Fe) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 알루미늄(Al) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 니켈(Ni) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 망간(Mn) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 실리콘(Si) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 칼슘(Ca) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 미쉬메탈(Ms) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 아연(Zn) 대비 함량비에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적, 장점 및 특징들은 첨부된 표 및 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더본 발명의 목적, 장점 및 특징들은 첨부된 표 및 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해 질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 개시의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

일 측면에 따르면, 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해, 0.01 내지 3.0 중량%의 알루미늄(Al); 0.01 내지 3.0 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.9 중량%의 철(Fe); 0.1 내지 2.0 중량%의 망간(Mn); 32 내지 40 중량%의 아연(Zn); 0 내지 1.0 중량%의 실리콘(Si); 0 내지 0.09 중량%의 납(Pb); 및 구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하여 강도가 향상된다.

알루미늄(Al)은 금속의 유동성을 양호하게 하고, 강도를 향상시키는 역할을 한다. 본원에서는 0.01 내지 3.0 중량%로 함유하는 것이 강도 및 경도 향상에 적합할 수 있고, 1.45 내지 2.8 중량%로 함유하는 것이 더 적합할 수 있고, 1.65 내지 2.8 중량%로 함유하는 것이 더욱더 적합할 수 있다. 본원의 상기 범위 내에서의 알루미늄(Al)의 함량의 증가는 황동의 강도 및 경도를 향상시킬 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 알루미늄(Al)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우 합금의 주조성 및 인장강도 증가에 영향을 주지 못하며, 3.0 중량%를 초과하는 경우 연신율 및 주조시 균열이 발생할 수 있다.

니켈(Ni)은 결정립자의 성장을 억제하고, 합금의 강도 및 소성과 내식성을 증가시키는 기능을 한다. 본원에서는 0.01 내지 3.0 중량%로 함유하는 것이 강도 및 경도 향상에 적합할 수 있고, 0.4 내지 1.0 중량%로 함유하는 것이 더 적합할 수 있다. 본원의 상기 범위 내에서의 니켈(Ni)의 함량의 감소는 황동의 강도 및 경도의 향상에 도움이 되는 것으로 파악되었다. 이에 한정되는 것은 아니나, 니켈(Ni)의 함량이 3.0 중량%를 초과하는 경우, 합금의 제조 비용 증대 및 기계적 강도를 저하시킬 수 있다.

철(Fe)은 주로 기계적 강도를 높이기 위해 첨가되며, 본원에서는 0.1 내지 0.9 중량%로 함유하는 것이 강도의 향상에 적합할 수 있으며, 0.5 중량% 내지 0.65 중량%로 함유하는 것이 더 적합할 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 알루미늄(Al)과 철(Fe)의 함량비(Al/Fe)는 클수록 강도 향상에 적합할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니나 0.5 내지 5.0이 되도록 철(Fe)을 포함하는 것이 강도 향상에 적합할 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)과 아연(Zn)의 함량비(Fe/Zn)는 작을수록 강도 향상에 적합할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니나 0.015 내지 0.025이 되도록 철(Fe)을 포함하는 것이 강도 향상에 적합할 수 있다.

본원의 상기 범위, 알루미늄(Al)과 철(Fe)의 함량비 또는 철(Fe)과 아연(Zn)의 함량비를 만족하지 못할 경우 결정립 미세화가 저하되고, 기계적 강도를 저하시킬 수 있으며, 과잉의 철(Fe)은 기지 상에 고용원소로 남아 전기전도도를 감소시킬 수 있다.

망간(Mn)은 고용 원소 및 다른 원소와 미세 화합물을 형성하여 강도 및 내부식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 합금 내 기지조직에 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 공존할 경우 금속간 화합물을 만들어 합금의 내마모성을 향상시킬 수 있다.

본원에서는 망간(Mn)을 0.1 내지 2.0 중량%로 함유하고, 상기 함량비를 만족하는 것이 강도 및 내부식성 향상에 적합할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 망간(Mn)을 2.0 중량%를 초과하여 첨가하는 경우 합금을 취약하게 할 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)과 망간(Mn)의 함량비(Fe/Mn)는 클수록 강도 향상에 적합할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니나 0.3 내지 0.9가 되도록 망간(Mn)을 포함하는 것이 강도 향상에 적합할 수 있고, 0.4 내지 0.9가 되도록 망간을 포함하는 것이 더 적합할 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 함량비(Ni/Mn)는 클수록 강도 향상에 적합할 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니나 0.5 내지 1.8이 되도록 망간(Mn)을 포함하는 것이 강도 향상에 적합할 수 있고, 0.5 내지 1.2가 되도록 망간을 포함하는 것이 더 적합할 수 있다.

아연(Zn)은 구리(Cu)와 함께 Cu-Zn 계 합금을 형성하며, 황동에 첨가되는 아연(Zn)의 첨가 함량에 따라 α상, β상 및 α+ β상으로 이루어지는 황동으로 구분된다. 과잉의 아연(Zn) 첨가는 합금 제품을 경화시켜 취성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 내부식성이 감소할 수 있고, 소량의 첨가는 α상이 과하게 형성되어 절삭성이 저하될 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 1.0 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.

실리콘(Si)의 첨가는 α+β 황동의 강도 및 내구성을 향상시키며, 함량이 고용도 이상으로 함유될 경우 합금의 내마모성 개선에 기여할 수 있다. 또한, 알루미늄(Al)과 망간(Mn)이 함께 포함될 경우 황동의 기지조직(α+β) 내에 MnSi 조직을 석출시켜 내마모성을 향상시킬 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.15 중량% 미만의 칼슘(Ca)을 포함할 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 실리콘(Si)의 함량은 0.5 중량%를 초과하거나 칼슘(Ca)의 함량은 0.15 중량% 이상으로 첨가되면 황동의 강도 및 경도가 저하될 수 있다.

납(Pb)은 종래에는 황동의 절삭성 향상을 위해 첨가되었다. 그러나 전술한 바와 같이 인체 및 환경에 대한 유해성 등으로 여러가지 문제점이 있어, 본원에서는 납(Pb)을 포함하지 않거나 0.09 중량% 이하의 최소량을 포함하도록 하였다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.01 내지 0.2 중량% 이하의 미쉬메탈(Ms)을 더 포함할 수 있다.

상기 미쉬메탈(misch metal, Ms)은 세륨족 희토류원소의 혼합물로 제련과정의 반제품으로 Ce 40~50%, La 20~40%를 함유하고 있으며, 합금용의 첨가물이나 발화합금 등에 이용된다. 상기 미쉬메탈(Ms)은 내열 특성이 우수하여 첨가시 고온에서 강도를 유지하도록 하고, 소성가공시 주괴의 균열방지 및 가공율 증대로 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. 미쉬메탈(Ms)은 0.2 중량% 초과하여 첨가되는 경우 강도 및 경도의 감소를 가져오게 될 수도 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 고력계 무연 황동은 인장강도가 350MPa 이상일 수 있고, 400MPa 이상이 더 적합할 수 있고, 500MPa 이상이 더욱더 적합할 있고, 600MPa 이상이 더욱더 적합할 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 고력계 무연 황동은 경도가 130Hv 이상일 수 있고, 150Hv 이상이 더 적합할 수 있고, 170Hv 이상이 더욱더 적합할 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 1.45 내지 2.8 중량%의 알루미늄(Al)을 포함하여, 강도 및 경도를 향상시킬 수 있다. 이때 황동의 인장강도는 500MPa 이상일 수 있다. 또한 황동의 경도는 150Hv 이상일 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 1.65 내지 2.8 중량%의 알루미늄(Al)을 포함하여, 강도 및 경도를 향상시킬 수 있다. 이때 황동의 인장강도는 600MPa 이상일 수 있다. 또한 황동의 경도는 170Hv 이상일 수 있다.

상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.4 내지 1.0 중량%의 니켈(Ni)을 포함하여, 강도 및 경도를 향상시킬 수 있다. 이때 황동의 인장강도는 500MPa 이상, 600MPa 이상일 수 있다. 또한 황동의 경도는 150Hv 이상, 170Hv 이상일 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 무연 황동은 항복강도가 180MPa 이상, 250MPa 이상, 300MPa 이상일 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 무연 황동은 절삭지수가 C36000 대비 62% 이상일 수 있다. 상기 절삭지수는 기존의 쾌삭황동 C36000의 절삭성을 100% 기준으로 할 때, 62%가 되는 것을 의미한다.

다른 측면에 따르면, 고력계 무연 황동으로 제조된 제품이 제공된다.

상기 고력계 무연 황동 및 이에 의해 제조된 제품은 강도가 향상되어, 인장강도가 350MPa 이상일 수 있고, 500MPa 이상일 수 있고, 600MPa 이상일 수 있다. 또한, 항복강도는 180MPa 이상일 수 있고, 250MPa 이상일 수 있고, 300MPa 이상일 수 있다.

상기 무연 황동 및 이에 의해 제조된 제품은 강도와 함께 경도가 향상되어, 경도가 130Hv 이상일 수 있고, 150Hv 이상일 수 있고, 170Hv 이상일 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 상기 제품은 밸브, 베어링 부품, 수전금구용일 수 있다.

실시예

표 1은 본 발명의 실시예와 비교예의 조성을 나타낸 것이다. 본 발명의 강도가 향상된 무연 황동의 기계적 특성을 평가하기 위해 표 1에 기재된 조성이 되도록 용해 및 주조하고, 압출 및 인발 공정 등을 통해 실시예와 비교예의 황동 시편을 제조하였다.

실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 4

구체적으로, 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 3에 따르는 시편은 표 1에 기재된 각각의 조성에 따라 합금 성분을 약 1050℃의 온도에서 3-4시간 가열하여 용해시킨 후 용탕을 제조하고, 약 20분간 진정시킨 후 50㎜ 직경으로 주조하였다. 주조 시 산화물을 포함하므로, 용해 후 용탕의 산화물을 최대한 건져내어 제거하는 것이 적합하다. 전술한 가열 온도는 약 950~1150℃ 범위에서 상황에 맞게 적절히 조절하였다.

주조 공정을 통해 제조된 주괴를 일정한 길이로 절단하여 약 650℃의 온도로 2시간 동안 가열한 뒤 직경 14㎜(변형률 71%)로 열간압출한 후, 산세 공정을 통하여 표면의 산화막을 95% 이상 제거하였다.

* MS 및 Ca는 nominal composition

시험예

본 발명에 의한 비교예 1 내지 4 및 실시예 1 내지 7의 기계적 특성을 표 1에 나타내었다.

실시예 1에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 38.1 중량%, 납(Pb)을 0.01 중량%, 알루미늄(Al)을 0.45 중량%, 니켈(Ni)을 2.01 중량%, 철(Fe)을 0.86 중량%, 망간(Mn)을 1.99 중량%, 실리콘(Si)를 0.49 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 1에 따른 황동은 인장강도가 410MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 181MPa로, 비교예 1 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 135Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 2에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 39.8 중량%, 알루미늄(Al)을 1.65 중량%, 니켈(Ni)을 0.88 중량%, 철(Fe)을 0.63 중량%, 망간(Mn)을 1.18 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 2에 따른 황동은 인장강도가 613MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 매우 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 316MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 172Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 3에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 36 중량%, 납(Pb)을 0.003 중량 %, 알루미늄(Al)을 2.68 중량%, 니켈(Ni)을 0.48 중량%, 철(Fe)을 0.53 중량%, 망간(Mn)을 0.63 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 3에 따른 황동은 인장강도가 627MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 매우 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 345MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 187Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 4에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 36.3 중량%, 알루미늄(Al)을 1.59 중량%, 니켈(Ni)을 0.87 중량%, 철(Fe)을 0.56 중량%, 망간(Mn)을 1.11 중량%, 미쉬메탈(Ms)을 0.01 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 4에 따른 황동은 인장강도가 538MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 257MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 152Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 5에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 33.78 중량%, 알루미늄(Al)을 1.51 중량%, 니켈(Ni)을 0.87 중량%, 철(Fe)을 0.71 중량%, 망간(Mn)을 1.58 중량%, 실리콘(Si)를 0.13 중량%, 미쉬메탈(Ms)을 0.05 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 5에 따른 황동은 인장강도가 373MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 194MPa로, 비교예 1 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 6에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 37.22 중량%, 납(Pb)을 0.01 중량%, 알루미늄(Al)을 1.40 중량%, 니켈(Ni)을 0.82 중량%, 철(Fe)을 0.71 중량%, 망간(Mn)을 1.47 중량%, 실리콘(Si)를 0.12 중량%, 미쉬메탈(Ms)을 0.1 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 6에 따른 황동은 인장강도가 379MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 268MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 157Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

실시예 7에 따른 황동은 구리(Cu)에 아연(Zn)을 37.23 중량%, 알루미늄(Al)을 1.46 중량%, 니켈(Ni)을 0.92 중량%, 철(Fe)을 0.72 중량%, 망간(Mn)을 0.80 중량%, 실리콘(Si)를 0.06 중량%, 칼슘(Ca)을 0.05 중량% 포함시켰다. 상기 조성으로 제조된 실시예 7에 따른 황동은 인장강도가 504MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 또한, 항복강도는 268MPa로, 비교예 1 내지 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다. 경도는 154Hv로, 비교예 1, 비교예 2 및 비교예 4에 따른 황동보다 높은 수준임을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 비교예 1 내지 3 및 실시예 1 내지 7의 주조 합금의 광학현미경 이미지이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 황동에서의 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 함량에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 알루미늄(Al)이 1.65 중량% 미만으로 첨가된 실시예 1, 실시예 4 내지 실시예 7보다 알루미늄(Al)이 각각 1.65 중량%, 2.68 중량% 첨가된 실시예 2 및 실시예 3으로 주조된 황동의 인장강도가 600MPa 이상으로 높은 것으로 나타났다. 또한, 알루미늄(Al) 함량을 증가시킴에 따라 강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 2를 참조하면, 니켈(Ni)이 0.88 중량% 초과로 첨가된 실시예 1, 실시예 4 내지 실시예 7보다 니켈(Ni)이 각각 0.88 중량%, 0.48 중량% 첨가된 실시예 2 및 실시예 3으로 주조된 황동의 인장강도가 600MPa 이상으로 높은 것으로 나타났다. 또한, 니켈(Ni) 함량을 감소시킴에 따라 강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 3은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca) 함량에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 실리콘(Si)이 각각 0.54 중량%, 1.07 중량%, 2.34 중량% 첨가된 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3에 비해 실리콘(Si)이 0.5 중량% 이하 첨가된 실시예 1 내지 실시예 7로 주조된 황동의 인장강도가 350MPa 이상으로 더 높은 것으로 나타났다.

도 3을 참조하면, 칼슘(Ca)이 각각 0.3 중량%, 0.15 중량% 첨가된 비교예 1, 비교예 2에 비해 칼슘(Ca)이 0.05 이하 첨가된 실시예 1 내지 실시예 7로 주조된 황동의 인장강도가 350MPa 이상으로 더 높은 것으로 나타났다.

따라서, 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)의 과다 첨가(비교예 1 내지 비교예 3)는 황동의 강도를 저하시킴을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 다양한 원소 함량비에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 본원의 실시예 1 내지 실시예 7은 원소 함량비 Al/Fe이 0.5 내지 5.0 범위 내에서 함량비가 증가함에 인장강도가 증가한다.

도 4를 참조하면, 본원의 실시예 1 내지 실시예 7은 원소 함량비 Fe/Mn이 0.4 내지 0.9 범위 내에서 증가함에 따라 인장강도가 증가하며, 상기 범위를 벗어난 Fe/Mn 값을 가지는 비교예 1, 비교예 3 및 비교예 4는 본원의 실시예들보다 낮은 인장강도를 가지는 것으로 나타났다.

도 4를 참조하면, 본원의 실시예 1 내지 실시예 7은 원소 함량비 Ni/Mn이 0.5 내지 1.2 범위 내에서 증가함에 따라 인장강도가 증가하며, 상기 범위를 벗어나 더 높은 Ni/Mn 값을 가지는 비교예 1은 본원의 실시예들보다 낮은 인장강도를 가지는 것으로 나타났다.

도 4를 참조하면, 본원의 실시예 1 내지 실시예 7은 원소 함량비 Fe/Zn이 0.015 내지 0.025 범위 내에서 감소함에 따라 인장강도가 증가하며, 상기 범위를 벗어나 더 낮은 Fe/Zn 값을 가지는 비교예 4는 본원의 실시예들보다 낮은 인장강도를 가지는 것으로 나타났다.

따라서, 원소 함량비 Al/Fe, Fe/Mn, Ni/Mn 값은 클수록, Fe/Zn 값은 작을수록 황동의 강도를 향상시킴을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 철(Fe) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 철(Fe)의 함량은 0.5 중량% 내지 0.9 중량% 범위 내에서 인장강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 알루미늄(Al) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 알루미늄(Al)의 함량의 증가가 인장강도를 향상시키고, 경도 또한 향상시킴을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 니켈(Ni) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 니켈(Ni)의 함량 감소가 인장강도를 향상시키고, 경도 또한 향상시킴을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 망간(Mn) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 망간(Mn)의 함량은 0.5 중량% 내지 1.25 중량% 내에서 함량되는 경우 인장강도 및 경도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 실리콘(Si) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 실리콘(Si) 함량은 0.5 중량%를 초과하지 않은 경우 인장강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 10은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 칼슘(Ca) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 칼슘(Ca) 함량은 0.05 중량%를 초과하지 않은 경우 인장강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 11은 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 미쉬메탈(Ms) 함량에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 11을 참조하면, 미쉬메탈(Ms) 함량은 0.02 중량%를 초과하지 않은 경우 인장강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

도 12는 본 발명의 비교예 및 실시예에 의한 황동에서의 아연(Zn) 대비 함량비에 따른 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.

도 12를 참조하면, 아연(Zn)의 함량과 대비하여 니켈(Ni) 및 실리콘(Si)은 적은 함량을 가지는 경우 인장강도가 향상됨을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시의 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims

동합금 총 중량에 대해,
1.45 내지 3.0 중량%의 알루미늄(Al);
0.01 내지 3.0 중량%의 니켈(Ni);
0.1 내지 0.9 중량%의 철(Fe);
0.1 내지 2.0 중량%의 망간(Mn);
32 내지 40 중량%의 아연(Zn);
0 내지 0.5 중량%의 실리콘(Si);
0 내지 0.09 중량%의 납(Pb);
0 내지 0.15 중량% 미만의 칼슘(Ca);
0 내지 0.2 중량% 이하의 미쉬메탈(Ms); 및
구리(Cu)와 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
항복강도가 190MPa 이상이고, 연신율이 9% 이상인, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 알루미늄(Al)의 철(Fe)에 대한 함량비가 0.5 내지 5.0인 철(Fe)을 포함하는, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)의 아연(Zn)에 대한 함량비가 0.015 내지 0.025인 철(Fe)을 포함하는, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 철(Fe)의 망간(Mn)에 대한 함량비가 0.4 내지 0.9인 망간(Mn)을 포함하는, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 니켈(Ni)의 망간(Mn)에 대한 함량비가 0.5 내지 1.8인 망간(Mn)을 포함하는, 고력계 무연 황동.
삭제
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.01 내지 0.2 중량% 이하의 미쉬메탈(Ms)을 더 포함하는, 고력계 무연 황동
제1항에 있어서,
인장강도가 350MPa 이상인, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
경도가 130Hv 이상인, 고력계 무연 황동.
제1항에 있어서,
상기 고력계 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 1.45 내지 2.8 중량%의 알루미늄(Al)을 포함하는, 인장강도는 500MPa 이상이고, 경도가 150Hv 이상인, 고력계 무연 황동.
제10항에 있어서,
상기 무연 황동은 동합금 총 중량에 대해 0.4 내지 1.0 중량%의 니켈(Ni)을 포함하는, 고력계 무연 황동.
삭제
제1항 내지 제5항, 제7항, 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
절삭지수가 C36000 대비 62% 이상인, 고력계 무연 황동.
제1항 내지 제5항, 제7항, 및 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 고력계 무연 황동으로 제조된 제품으로, 인장강도가 350MPa이상이고, 경도가 130Hv이상인, 고력계 무연 황동 제품.